Electronique Analogique (36ESEL36)

Universit´ e Paris 7
Licence L3 SPI
Electronique Analogique (36ESEL36)
Alain L’Hoir (Janvier 2010)

ii

Table des mati`eres
1 Introduction 1
1.1 L’Electronique Analogique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Contenuducours................................... 2
1.3 Exemple de syst`eme ´electronique : instrumentation en physique nucl´eaire. . . . 4
2 Circuits ´electriques 1
2.1 Circuits `a constantes localis´ees . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
2.2 El´ementspassifs ................................... 2
2.2.1 R´esistance. .................................. 2
2.2.1.1 R´esistor (l’objet r´esistance) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
2.2.1.2 Loi d’Ohm. Mobilit´e, conductivit´e, r´esistivit´e. . . . . . . . . . 3
2.2.2 Condensateurs, capacit´es. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2.2.1 Capacit´e d’un condensateur plan. . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2.2.2 Condensateurs en ´ Electronique. ................. 6
2.2.3 Self ...................................... 7
2.2.3.1 Auto-induction........................... 7
2.2.3.2 Selfs en ´electronique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2.4 Conclusion. .................................. 8
2.3 Imp´edances ...................................... 8
2.3.1 Introduction. ................................. 8
2.3.2 Amplitude complexe, imp´edance complexe. . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.4 Signaux, th´eor`emes pour les circuits lin´eaires. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.4.1 Signaux .................................... 11
2.4.1.1 Impulsions.............................. 12
2.4.1.2 Signaux p´eriodiques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.4.2 Dipˆoles, quadripˆoles, fonction de transfert. . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.4.2.1 Dipˆoles ............................... 13
2.4.2.2 Quadripˆoles............................. 14
2.4.2.3 Fonction de transfert. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.4.2.4 Fr´equence de coupure. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.4.3 sourcesid´eales ................................ 16
2.4.4 Th´eor`emes pour les circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.4.4.1 Loisg´en´erales ........................... 18
2.4.4.2 Th´eor`emes pour les circuits lin´eaires . . . . . . . . . . . . . . . 18
3 Les composants pour l’´ Electronique 23
3.1 Introduction...................................... 23
3.2 Semiconducteurs ................................... 23
3.2.1 Structure ................................... 23
iii

iv TABLE DES MATI ` ERES
3.2.2 Bandes d’´energie, gap. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.2.3 M´etal, isolant et semiconducteur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.2.3.1 M´etaux................................ 25
3.2.3.2 Isolants et semiconducteurs `a temp´erature nulle. . . . . . . . . 26
3.2.3.3 Semiconducteurs ultra-pur `a temp´erature non nulle. . . . . . . 27
3.2.3.4 Gap des semiconducteurs. Isolants et semiconducteurs. . . . . 28
3.2.3.5 Dopage de types N et P. Electrons et Trous. Conductivit´e par
´electrons, par trous. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.2.3.6 Diffusion .............................. 31
3.2.3.7 Interaction avec la lumi`ere, dur´ee de vie des porteurs. . . . . . 32
3.3 JonctionPN...................................... 34
3.3.1 G´en´eralit´es. Niveau de Fermi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.3.2 D´efinition.................................... 35
3.3.3 La jonction PN `a l’´equilibre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.3.4 Jonction PN polaris´ee dans le sens direct . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.3.5 Jonction PN polaris´ee en sens inverse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.3.6 Capacit´e d’une jonction PN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.3.7 Claquage. Effet Zener, effet d’avalanche. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.3.8 Autresjonctions ............................... 41
3.4 DiodesPN....................................... 42
3.4.1 D´efinition, caract´eristique I(V). ...................... 42
3.4.2 Mod´elisations de la diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.4.2.1 Mod´elisation en grands signaux . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.4.2.2 Point de fonctionnement. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.4.2.3 Diode en petits signaux. Mod´elisation, point de repos, r´esistance
dynamique.............................. 46
3.5 DiodeZener ..................................... 47
3.5.0.4 D´efinition. ............................. 47
3.5.0.5 Polarisation. Mod´elisation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.5.1 Exemplesdediodes ............................. 49
3.6 Diodes en opto´electronique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.6.1 G´en´eralit´es .................................. 49
3.6.2 Photodiode, cellule solaire. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.6.2.1 D´efinition.............................. 49
3.6.2.2 Principe de fonctionnement. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.6.2.3 Mod´elisation............................. 51
3.6.2.4 Point de fonctionnement. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.6.3 Diode ´electroluminescente, diode laser. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.6.3.1 Diode ´electroluminescente (DEL) . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.6.3.2 DiodeLaser ............................ 53
3.6.4 Exemples de diodes opto´electroniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.6.5 Applications des diodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.7 Transistors `a effet de champ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.7.1 Histoire de transistors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.7.2 Transistor NMOS `a enrichissement. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.7.2.1 Description qualitative . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.7.2.2 Principe de fonctionnement du NMOS . . . . . . . . . . . . . . 56
3.7.3 Transistor PMOS, technologie CMOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.7.4 Mod´elisation ................................. 61

TABLE DES MATI ` ERES v
3.7.4.1 Applications ............................ 64
3.7.5 Transistor `a effet de champ `a jonction (JFET) . . . . . . . . . . . . . . 64
3.8 Transistorbipolaire.................................. 66
3.8.1 Description du transistor bipolaire NPN. . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.8.2 Le transistor bipolaire en r´egime actif. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.8.2.1 D´efinition. ............................. 68
3.8.2.2 Les diff´erents courants. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.8.3 Autresr´egimes................................. 72
3.8.4 Caract´eristiques r´eelles des transistors bipolaires. . . . . . . . . . . . . . 72
3.8.5 Mod´elisation, sch´ema ´equivalent. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.8.5.1 R´esistance d’entr´ee, transconductance. . . . . . . . . . . . . . . 74
3.8.5.2 Courant de sortie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.8.5.3 Sch´ema ´equivalent. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3.8.5.4 Puissance. ............................. 76
3.8.5.5 Exemples de transistors bipolaires discrets . . . . . . . . . . . 76
3.8.6 Applications, conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4 Blocs fonctionnels lin´eaires : quadripˆoles 79
4.1 Introduction. D´efinitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.2 Quadripˆoleslin´eaires.................................. 80
4.2.1 Introduction. ................................. 80
4.2.2 Param`etres hybrides h. ........................... 81
4.2.3 Sch´ema ´equivalent des transistors `a basse fr´equence. . . . . . . . . . . . 82
4.2.4 Autres repr´esentations pour les quadipˆoles actifs. . . . . . . . . . . . . . 82
4.2.5 Quadripˆoles passifs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.2.6 Quadripˆole actif ou passif en charge. Imp´edances d’entr´ee, de sortie, am-
plification.................................... 83
4.2.6.1 Imp´edance d’entr´ee. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.2.6.2 Imp´edance de sortie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.2.6.3 Amplification en tension et en courant. . . . . . . . . . . . . . 85
4.2.7 Une autre repr´esentation des quadripˆoles actifs. . . . . . . . . . . . . . . 86
4.3 Association de quadripˆoles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4.3.1 Structure en cascade. Adaptation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4.3.1.1 Repr´esentation simplifi´ee des amplificateurs de tension. . . . . 86
4.3.1.2 Amplification. Adaptation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.3.1.3 M´ethode matricielle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4.3.2 Association s´erie ou parall`ele. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
4.3.2.1 Mise en parall`ele. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
4.3.2.2 Miseens´erie............................. 89
5 Amplificateurs lin´eaires. 91
5.1 Introduction...................................... 91
5.2 Montages de base en classe A. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
5.2.1 D´efinition. Polarisation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
5.2.2 Montage ´emetteur commun. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
5.2.2.1 Polarisation. ............................ 92
5.2.2.2 Superposition des signaux continus et variables. Sch´ema ´equivalent 93
5.2.2.3 Amplification. Imp´edances d’entr´ee et de sortie. . . . . . . . . 94
5.2.2.4 Dynamique de sortie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96